基于改进JH-2模型的氟金云母本构关系开发与模拟

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.06.011

摘要/Abstract

摘要：

基于JH-2理论模型,建立了针对脆性材料有限元仿真改进的JH-2离散化模型,以此为本构模型对DEFORM软件的用户端模块进行了二次开发并对工程陶瓷的切削力进行了仿真分析.通过氟金云母车削试验,对比了JH-2离散化模型和J-C理想化模型的仿真效果,分析了切削速度、进给速度和切削深度三种工艺参数对切削力仿真的影响并验证了JH-2模型的准确性和可靠性.试验结果表明,切削力仿真值与试验值变化趋势相同且精度良好,相比于J-C理想化模型,JH-2离散化模型模拟的脆性材料加工形貌更符合实际情况.因此,在针对工程陶瓷的有限元研究中,改进的JH-2离散化模型相对于J-C模型在理论分析和仿真预测上均具有显著优势.

关键词: JH-2模型, 脆性材料, DEFORM软件, 二次开发, 工艺参数

Abstract:

Based on the JH-2 theoretical model， an improved JH-2 discrete model for the finite element simulation of brittle materials is established， which is used to redevelop the client module of DEFORM software as a constitutive model. And the cutting force of engineering ceramics is simulated and analyzed. Through the fluorophlogopite turning test， the simulation effects of the JH-2 discrete model and J-C idealized model are compared. The effects of three process parameters， namely cutting speed， feed speed and cutting depth， on the cutting force simulation are analyzed. And the accuracy and reliability of the JH-2 model are verified. The test results show that the variation trend of the simulation value of cutting force is the same as that of the test value， and the precision is good. Compared with the J-C idealized model， the machining morphology of brittle materials simulated by the JH-2 discrete model is more consistent with the actual situation. Therefore， in the finite element research of engineering ceramics， the improved JH-2 discrete model has significant advantages over the J-C model in theoretical analysis and simulation prediction.

Key words: JH-2 model, brittle material, DEFORM software, secondary development, process parameter

中图分类号:

TH 161

马廉洁, 于学荞, 韩智斌, 潘帅. 基于改进JH-2模型的氟金云母本构关系开发与模拟[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(6): 837-842.

Lian-jie MA, Xue-qiao YU, Zhi-bin HAN, Shuai PAN. Development and Simulation of Constitutive Relationship of Fluorophlogopite Based on Improved JH-2 Model[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(6): 837-842.

图/表 11

图1 JH-2模型具体说明（a）—JH-2强度模型；（b）—JH-2损伤模型.

Fig.1 Specific description of the JH-2 model

图2 体积应变与线应变关系

Fig.2 Relationship between volumetric strain and linear strain

图3 任一表面受载形变简图

Fig.3 Deformation diagram of each surface under load

图4 简支梁挠度-载荷分布示意图

Fig.4 Diagram of deflection load distribution of the simply supported beam

图5 前处理二次开发流程

Fig.5 Pre?processing secondary development process

表1 有限元仿真试验条件

Table 1 Finite element simulation test conditions

组号

v_c

v_f

a_p

m·s^-1

mm·r^-1

1~13

14~24

25~35

0.63~1.26

0.94

0.08

0.05~0.15

0.08

0.1

0.05~0.15

图6 切削速度对切削力的影响

Fig.6 Influence of cutting speed on cutting force

图7 进给速度对切削力的影响

Fig.7 Influence of feed speed on cutting force

图8 切削深度对切削力的影响

Fig.8 Influence of cutting depth on cutting force

图9 切屑形貌对比（a）—ap=0.06 mm时J-C本构模型仿真过程；（b）—ap=0.06 mm时JH-2本构模型仿真过程

Fig.9 Chip morphology comparison

图10 氟金云母陶瓷切屑形貌

Fig.10 Morphology of fluorophlogopite ceramic chips

参考文献 18

1	Ma L J， Cai C Y， Tan Y Q，et al.Theoretical model of transverse and longitudinal surface roughness and study on brittle‑ductile transition mechanism for turning fluorophlogopite ceramic［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2019，150：715-726.
2	Yıldız A， Kurt A， Yağmur S.Finite element simulation of drilling operation and theoretical analysis of drill stresses with the DEFORM-3D［J］.Simulation Modelling Practice and Theory，2020，104：102153.
3	Johnson G R， Cook W H.Fracture characteristics of three metals subjected to various strains，strain rates，temperatures and pressures［J］.Engineering Fracture Mechanics，1985，21（1）：31-48.
4	Johnson G R， Holmquist T J.An improved computational constitutive model for brittle materials［C］//AIP Conference Proceedings.Colorado：Springs，1994：981-984.
5	Baranowski P， Kucewicz M， Gieleta R，et al.Fracture and fragmentation of dolomite rock using the JH-2 constitutive model：parameter determination，experiments and simulations［J］.International Journal of Impact Engineering，2020，140：103543.
6	Seshadri R， Naveen I， Srinivasan S，et al.Finite element simulation of the orthogonal machining process with Al 2024 T351 aerospace alloy［J］.Procedia Engineering，2013，64：1454-1463.
7	Ma L J， Yu A， Chen J Q.Theoretical model of cutting force in turning the lithium disilicate glass‑ceramic［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，92（9/10/11/12）：4355-4366.
8	陈景强，马廉洁，孟博，等.氟金云母表面形成机理及表面粗糙度理论模型［J］.中国机械工程，2020，31（24）：2918-2923.
	Chen Jing‑qiang， Ma Lian‑jie， Meng Bo，et al.Surface formation mechanism and surface roughness theoretical model of fluorophlogopite［J］.China Mechanical Engineering，2020，31（24）：2918-2923.
9	Ma L J， Gong Y D， Chen X H.Study on surface roughness model and surface forming mechanism of ceramics in quick point grinding［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2014，77：82-92.
10	Ma L J， Li C， Chen J，et al.Prediction model and simulation of cutting force in turning hard‐brittle materials［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，91（1）：165-174.
11	马廉洁，田俊超，巩亚东，等.玻璃陶瓷车削表面形成机制及实验研究［J］.人工晶体学报，2016，45（6）：1639-1645.
	Ma Lian‐jie， Tian Jun‐chao， Gong Ya‐dong，et al.Formation mechanism and experimental study of surface in turning glass‐ceramics［J］.Journal of Synthetic Crystals，2016，45（6）：1639-1645.
12	Liu T， Ma L， Wang Y，et al.Removal mechanism of machinable ceramics and theoretical model of cutting force in turning operation［J］.Mechanical Sciences，2019，10（2）：429-436.
13	Shibata T， Fujii S， Makino E，et al.Ductile‐regime turning mechanism of single‑crystal silicon［J］.Precision Engineering，1996，18（2）：129-137.
14	Tamizharasan T， Senthil Kumar N.Optimization of cutting inserts geometry using DEFORM-3D：numerical simulation and experimental validation［J］.International Journal of Simulation Modelling，2012，11（2）：65-76.
15	Wu M W， Zhang S J， Ma S B，et al.Hot deformation behavior of Q345 steel and its application in rapid shear connection［J］.Materials，2019，12（13）：2186.
16	马廉洁，李琛，曹小兵，等.基于GA和DEFORM的陶瓷材料切削力数值模拟［J］.东北大学学报（自然科学版），2014，35（12）：1773-1777.
	Ma Lian‑jie， Li Chen， Cao Xiao‑bing，et al.Numerical simulation of cutting force based on GA and DEFORM in turning ceramics［J］.Journal of Northeastern University （Natural Science），2014，35（12）：1773-1777.
17	Kim H S， Oh S T， Lee J S.Constitutive model for cold compaction of ceramic powder［J］.Journal of the American Ceramic Society，2002，85（8）：2137-2138.
18	Liu Y X， Liu L S， Mei H，et al.A modified rate‐dependent peridynamic model with rotation effect for dynamic mechanical behavior of ceramic materials［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2022，388：114246.

[1]	余犇, 王冬晓, 刘禹, 李建平. AZ31镁合金薄板热油恒温成形数值模拟与实验研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(2): 179-186.
[2]	单泉，潘帅，于学荞，马廉洁. 快速点磨削工艺参数对磨削振动频率的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(4): 530-535.
[3]	吴飞，李亦能，王梦辉. 陶瓷3D打印挤出光固化辅助成型工艺研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(9): 1283-1290.
[4]	任朝晖，王云贺，李竺鸿，王琛. 增材-微锻造加工工艺应力场数值模拟研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(6): 881-887.
[5]	焦安源，张国富，丁浩东，刘伟军. TC4钛合金孔的磁粒研磨试验[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(9): 1304-1310.
[6]	张华伟，王新刚，陈小辉，侯东晓. 轧制差厚板横向弯曲工艺参数研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(5): 728-733.
[7]	马小英，孙志礼，张毅博，臧旭. 基于Kriging-PSO智能算法优化焊接工艺参数[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(3): 370-375.
[8]	蔡明，巩亚东，于宁，高奇. 铝合金6061微尺度铣削的铣削力仿真与实验研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2018, 39(1): 76-81.
[9]	温泉，赵悦，巩亚东，邹平. 碳纤维复合材料小孔钻削工艺参数优化[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(7): 978-982.
[10]	孙红春，王宏宝，胥勇，谢里阳. 砂轮划片机划切工艺参数优化方法[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(4): 531-535.
[11]	徐英帅，邹平，王伟，杨旭磊. 超声振动辅助车削高温合金和铝镁合金研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(1): 95-100.
[12]	王宏涛，储满生，赵伟，柳政根. 工艺参数对热压铁焦抗压强度的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(6): 810-814.
[13]	丁航行，任凤玉，王春贤，韩智勇. AutoCAD环境下巷道坐标参数表的自动生成[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2015, 36(6): 872-875.
[14]	黄江华，刘晋平，王宝雨，胡正寰. 工艺参数对楔横轧4Cr9Si2表面螺旋痕的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2014, 35(12): 1778-1782.
[15]	贾品峰，何立子，张海涛，崔建忠. 7050合金电流均匀化过程中的温度分布[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2014, 35(10): 1417-1421.